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Jun 11, 2023

ラマン分光法とDFT計算を使用したジオポリマー材料中のZn2+種の遅延メカニズム

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21036 (2022) この記事を引用 1039 アクセス数 1 引用数 5 オルトメトリクスの詳細 ジオポリマーは、通常のポートランドの最も有望な代替品です

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21036 (2022) この記事を引用

1039 アクセス

1 引用

5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ジオポリマーは、油井セメンティングおよび坑井廃棄用の通常のポルトランド セメントに代わる最も有望な代替品です。 そのために、スラリーには遅延剤の添加によって確保される必要なポンピング時間が必要です。 亜鉛がジオポリマーの硬化時間を延長することは広く知られていますが、その作用メカニズムはまだ完全には解明されていません。 ここでは、亜鉛イオンがケイ酸塩オリゴマー化 (Si-O-Al) の最初の段階を妨げ、最終的に硬化時間が長くなるという仮説が立てられています。 ポンピング時間の測定により、Zn(NO3)2 は亜鉛を含まないサンプルと比較して硬化時間が 5 時間遅れることがわかりました。 DFT 計算により、Si(OH)4 がバリアレス遷移状態を介して [Zn(OH)4]2- と反応することが明らかになり、遅延効果の運動基盤が証明されました。 さらに、ラマン分光法は、提案されたメカニズムにおける Q3 種が、亜鉛イオンの非存在下よりも亜鉛イオンの存在下でより迅速に形成されることを示し、DFT の結果を裏付けました。

ジオポリマーは、建設用途と石油・ガス用途の両方において、普通ポルトランド セメント (OPC) に代わる可能性を秘めた代替セメント材料です。 この材料の石油およびガスへの適用性は、その生産が二酸化炭素排出量が低く、特に長期にわたって OPC よりも優れた特性を維持するため、過去の期間研究されてきました 1,2,3。 しかし、このような材料をセメンティングや坑井廃棄作業に適用するには、凝結を遅らせ、坑井への移動の安全な期間を保証するために遅延剤などの化学混合剤を使用する必要があります4。 固体材料からのジオポリマーの形成は、複雑な複数段階のプロセスであり、大まかに i) ポリ（シロキソ）フレームワークのアルカリ解重合とアルミニウムの溶解 ii) オルトシアレート (OH)3- Si-O-Al- からのモノマーおよびオリゴマーの形成で構成されます。 (OH)3、および iii) 高級オリゴマーおよびポリマー 3D ネットワークへの重縮合 5、6。 有利なことに、ガラスおよびジオポリマーの重合/解重合の程度はラマン分光法によって測定できることが実証されています7。 本質的に、シリカネットワーク内の SiO4 種は、共有する酸素原子の数に応じて分光学的に互いに異なります。 たとえば、孤立した SiO4 は酸素を共有していないため Q0 と呼ばれます。 Q1 エンティティは、ネットワーク内で酸素を共有する SiO4 を表します。 この推論は Q2、Q3、Q4 に拡張され、それぞれ 2 つ、3 つ、4 つの酸素原子を共有していることを意味します。 ガラスまたはシリカが豊富な鉱物をアルカリ環境と接触させると、シリカの解重合により Q0 ～ Q3 種の量が時間とともに増加すると予想されます。この現象は、各 Qn 種がラマンスペクトルの異なる周波数で現れるため追跡できます7。 、8、9。

亜鉛 (Zn2+) 種は遅延剤として研究されており、その機構的および動力学的側面が考慮されています 10、11、12、13。 例えば、酸化亜鉛 (ZnO) は Zn2+ に溶解し、カルシウムイオン (Ca2+) を隔離して亜鉛酸カルシウム [Ca(Zn(OH)3)2・2H2O] 11 を形成することで硬化時間を延長すると考えられています。 これは、Zn2+ が縮合重合に影響を及ぼした可能性があると推測しただけである Cong ら 14 によって到達された結論でもあります。 Zn2+ がジオポリマー化の初期段階で役割を果たす可能性を見逃してはなりません。 Zeng ら 15 は、原材料の単純な混合物ではなく、主に亜鉛 - シリコンのポリマー種を含む複雑な化合物を生成する、ポリケイ酸亜鉛をベースとした凝固剤の合成を実証しました。 OPC に対する Zn2+ および鉛 (Pb+2) イオンの影響を研究した結果、Oretgo ら 16 は、Zn2+ イオンがケイ酸塩の重合を遅らせることを発見しました。 著者らは、Zn2+ イオンで OCP を硬化した後、Q0 および Q1 種の割合が高いことを NMR で実証し、これは SiO4 単位の重合度が低いことを示唆しています。